《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》基因表達調(diào)控-課課件

第十八章基因表達調(diào)控

RegulationofGeneExpression1ppt課件神經(jīng)元淋巴細胞2ppt課件第一節(jié)基因表達調(diào)控基本概念與特點基因(gene)基因（gene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負載遺傳信息的基本單位。一、基因表達是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列?；虬ň幋a序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）。3ppt課件基因組（genome）指細胞或生物體的一套單倍體遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的總和。人類基因組包含了細胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。4ppt課件基因表達（geneexpression）是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程

rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄過程也屬基因表達。

生物基因組中只有部分基因表達，其表達水平會隨時間、環(huán)境而變化。DNARNA轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)翻譯逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制5ppt課件（一）時間特異性

按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性。（二）空間特異性

基因表達的時間、空間特異性由特異的基因啟動子和（或）增強子與調(diào)節(jié)蛋白相互作用決定。二、基因表達的特異性

在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)。又稱細胞特異性或組織特異性。6ppt課件（一）基本表達(constitutivegeneexpresstion)指在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行的基因表達。區(qū)別于其它基因,這類表達稱為基本表達(或組成性)基因表達，這些基因通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。其基因表達產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因表達只受啟動序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，不受其它機制調(diào)節(jié)。三、基因表達的方式7ppt課件（二）適應(yīng)性表達(adaptive

expression)誘導(dǎo)(induction)：指在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加。這種基因稱為可誘導(dǎo)基因。如：DNA損傷→修復(fù)酶基因激活阻遏(repression)：指在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被抑制，基因表達產(chǎn)物減少。這種基因稱為可阻遏基因。如：大腸桿菌的色氨酸合成酶系有些基因的表達受到環(huán)境變化的誘導(dǎo)和阻遏。三、基因表達的方式8ppt課件在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)調(diào)表達(coordinateexpression)。這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。（三）生物體內(nèi)不同基因的表達受到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)三、基因表達的調(diào)節(jié)9ppt課件四、基因表達調(diào)控的意義（一）生物體調(diào)節(jié)基因表達以適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）生物體調(diào)節(jié)基因表達以維持細胞分化個體發(fā)育突變10ppt課件第二節(jié)基因表達調(diào)控的基本原理一、基因表達調(diào)控呈現(xiàn)多層次性和復(fù)雜性

基因表達調(diào)控是在多級水平上進行的復(fù)雜事件，轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的基本控制點。細胞核核孔DNA

初級RNA轉(zhuǎn)錄物mRNAmRNA蛋白質(zhì)失活蛋白質(zhì)1轉(zhuǎn)錄控制2RNA加工控制翻譯控制34蛋白質(zhì)活性控制細胞質(zhì)11ppt課件二、基因轉(zhuǎn)錄激活的基本要素（一）特異DNA序列決定基因的轉(zhuǎn)錄活性原核生物——操縱子(operon)

機制編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)RNA-pol(2)

操縱子通常由2個以上的編碼序列與啟動序列、操縱序列以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成。

基因轉(zhuǎn)錄激活受到轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白與啟動子相互作用的調(diào)節(jié)。12ppt課件RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT是RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。啟動序列共有序列圖13-1五種E.coli啟動序列的共有序列13ppt課件

操縱序列當操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻遏轉(zhuǎn)錄?！瓒舻鞍?repressor)的結(jié)合位點編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)RNA-pol阻遏蛋白負性調(diào)節(jié)14ppt課件原核操縱子調(diào)節(jié)序列是還有一種特異DNA序列可結(jié)合激活蛋白(activator)

，促進RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，增強RNA聚合酶活性。有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列。

特異DNA序列正性調(diào)節(jié)編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)CAPRNA-pol(2)CAP：分解（代謝）物基因激活蛋白

轉(zhuǎn)錄15ppt課件編碼序列ABDNA轉(zhuǎn)錄起始點RNA-pol真核生物的特異DNA序列

順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。順式作用元件分為啟動子、增強子和沉默子等。編碼序列BADNA轉(zhuǎn)錄起始點RNA-pol16ppt課件（二）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白可以增強或抑制轉(zhuǎn)錄活性

原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白分為三類：特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)特異因子CAP阻遏蛋白二、基因轉(zhuǎn)錄激活的基本要素

DNA調(diào)節(jié)序列本身并不行使功能，這些序列必須被基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白識別和結(jié)合才能發(fā)揮作用。17ppt課件可特異識別、結(jié)合自身基因的調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)自身基因的表達的蛋白質(zhì)因子。這種調(diào)節(jié)作用稱為順式作用（順式調(diào)節(jié)）。由某一基因表達產(chǎn)生的蛋白質(zhì)因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件的識別、結(jié)合反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄。這種調(diào)節(jié)作用稱為反式調(diào)節(jié)。真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白(轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子)

反式作用蛋白或反式作用因子

順式作用蛋白18ppt課件指反式作用因子與順式作用元件之間的特異識別及結(jié)合。通常是非共價結(jié)合，被識別的DNA結(jié)合位點通常呈對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。有些調(diào)節(jié)蛋白在結(jié)合DNA前，需要通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用形成二聚體或多聚體。（三）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白通過與DNA或與蛋白質(zhì)相互作用對轉(zhuǎn)錄起始進行調(diào)節(jié)DNA-蛋白質(zhì)相互作用

蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用指由二個或多個蛋白質(zhì)形成二聚體或多聚體。最常見的是二聚體（有同二聚體和異二聚體之分）對稱、或不完全對稱結(jié)構(gòu)。19ppt課件（四）RNA聚合酶1.啟動序列/啟動子與RNA聚合酶活性

啟動序列/啟動子與RNA聚合酶的親和力直接影響轉(zhuǎn)錄起動的頻率。2.調(diào)節(jié)蛋白與RNA聚合酶活性一些特異調(diào)節(jié)蛋白在適當環(huán)境信號刺激下表達，然后通過DNA-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用影響RNA聚合酶活性。如熱休克反應(yīng)。二、基因轉(zhuǎn)錄激活的基本要素20ppt課件第三節(jié)原核基因表達調(diào)節(jié)——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點（一）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性（二）操縱子模型的普遍性（三）原核操縱子受到阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)

原核生物絕大多數(shù)基因按功能相關(guān)性成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一轉(zhuǎn)錄單位----操縱子，如乳糖操縱子。

原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)存在正性調(diào)節(jié)和負性調(diào)節(jié),其中以負性調(diào)節(jié)為主。21ppt課件二、操縱子調(diào)控模式（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列調(diào)節(jié)基因ZYAOPDNAIPI

操縱子調(diào)控模式在原核基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)中具有普遍性。22ppt課件（二）乳糖操縱子(lacoperon)的調(diào)節(jié)機制mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPRNA-pol

沒有乳糖存在時，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)1.阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因

乳糖操縱子受到阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)

圖13-4lac操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)抑制轉(zhuǎn)錄啟動23ppt課件mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPRNA-pol啟動轉(zhuǎn)錄乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶

有乳糖存在時，lac操縱子即可被誘導(dǎo)。作為誘導(dǎo)劑結(jié)合阻遏蛋白mRNA

圖13-4lac操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)24ppt課件++++轉(zhuǎn)錄

無葡萄糖及cAMP濃度高時2.CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPcAMP

有葡萄糖及cAMP濃度低時cAMP與CAP結(jié)合受阻lac操縱子表達下降RNA-pol25ppt課件3.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；ZYAOPDNAIPI(a)有葡萄糖，無乳糖阻遏蛋白CAPRNA-pol抑制轉(zhuǎn)錄啟動圖13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)26ppt課件3.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當乳糖存在時，去阻遏；但因有葡萄糖存在，CAP不能發(fā)揮作用，仍幾無轉(zhuǎn)錄活性。(b)有葡萄糖，有乳糖ZYAOPDNAIPICAP阻遏蛋白誘導(dǎo)劑很少的mRNA轉(zhuǎn)錄圖13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)27ppt課件3.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當葡萄糖不存在，乳糖存在時，既去阻遏；CAP又能發(fā)揮作用，對lac有強的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)。(c)無葡萄糖，有乳糖ZYAOPDNAIPICAP阻遏蛋白誘導(dǎo)劑大量的mRNA轉(zhuǎn)錄RNA-pol圖13-5CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)28ppt課件三、原核生物具有不同的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)機制四、原核生物翻譯水平的調(diào)節(jié)兩種終止調(diào)節(jié)方式：衰減和抗終止依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止主要轉(zhuǎn)錄終止機制（一）蛋白質(zhì)分子結(jié)合于啟動序列或啟動序列周圍進行自我調(diào)節(jié)（自我控制）（二）反義RNA結(jié)合于翻譯起始部位互補序列對翻譯進行調(diào)節(jié)（反義控制）29ppt課件第四節(jié)真核基因表達調(diào)節(jié)一、真核基因組的結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大（二）真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子

單順反子----一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。（三）真核基因組含有大量的重復(fù)序列（四）真核基因具有不連續(xù)性根據(jù)重復(fù)頻率分為高度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列和單拷貝序列。30ppt課件二、真核基因表達調(diào)控特點（一）真核細胞內(nèi)含有多種RNA聚合酶

真核RNA聚合酶有三種，即RNA-polⅠ、Ⅱ、Ⅲ，分別負責(zé)三種RNA轉(zhuǎn)錄。真核RNA-pol不直接結(jié)合模板，而需依靠轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionalfactors,TF)協(xié)助起始轉(zhuǎn)錄。（二）處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的染色體結(jié)構(gòu)變化

真核DNA被包裝成核小體和更濃縮的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。啟動子DNA包裝成核小體會影響轉(zhuǎn)錄起始?；蚣せ顣r，可觀察到染色體相應(yīng)區(qū)域發(fā)生某些結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。31ppt課件（三）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)（四）在真核細胞中轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行（五）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工更為復(fù)雜

真核基因是由蛋白質(zhì)組合來調(diào)控，并以正性調(diào)節(jié)為主，原因有二：

（1）采用正性調(diào)節(jié)機制更精確；

（2）采用負性調(diào)節(jié)不經(jīng)濟。二、真核基因表達調(diào)控特點32ppt課件三、RNApolⅠ和polⅢ轉(zhuǎn)錄體系的調(diào)節(jié)相對簡單tRNA和5SrRNA基因啟動子位于轉(zhuǎn)錄起始點下游即轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)，稱為內(nèi)部控制區(qū)（internalcontrolregions,ICR）

（一）RNApolⅠ轉(zhuǎn)錄體系的控制

人rRNA前體基因的啟動子有兩個元件：核心元件與上游控制元件。

RNApolⅠ的兩種轉(zhuǎn)錄因子：上游結(jié)合因子１與選擇性因子１。（二）RNApolⅢ轉(zhuǎn)錄體系的控制33ppt課件

真核基因順式作用元件影響基因轉(zhuǎn)錄活性。按功能特性，順式作用元件分為：啟動子、增強子和沉默子。真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒四、RNApolⅡ轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)非常復(fù)雜（一）順式作用元件

1、啟動子(promoter)34ppt課件2、增強子(enhancer)

指遠離轉(zhuǎn)錄起始點(1～30kb)、決定基因的時間、空間特異性表達、增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。

增強子發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關(guān)。從功能上講，沒有增強子存在，啟動子通常不能表現(xiàn)活性；沒有啟動子時，增強子也無法發(fā)揮作用。3、沉默子(silencer)

指某些基因的負性調(diào)節(jié)元件，當其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。35ppt課件（二）反式作用因子1.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(transcriptionfactors,TF)的分類*基本轉(zhuǎn)錄因子是RNA聚合酶結(jié)合啟動子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)轉(zhuǎn)錄的類別。為個別基因轉(zhuǎn)錄所必需，決定該基因的時間、空間特異性表達。*特異轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄激活因子轉(zhuǎn)錄抑制因子按功能分類

反式作用因子是真核細胞中重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白36ppt課件2.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu)DNA結(jié)合域轉(zhuǎn)錄激活域TF蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)結(jié)合域（二聚化結(jié)構(gòu)域）

谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域（二）反式作用因子

反式作用因子是真核細胞中重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白37ppt課件（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活需要轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成真核RNA聚合酶Ⅱ不能單獨識別、結(jié)合啟動子，而是先由基本轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD的組成成分TBP

識別TATA盒或啟動元件。TBP為基本轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD的亞基，折疊為兩個功能非常相似的功能域（藍色和綠色），負責(zé)識別和結(jié)合DNA中的TATA框序列（紅色）。38ppt課件圖13-9真核轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成（三）mRNA轉(zhuǎn)錄激活需要轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成TBP識別TATA盒或啟動元件，在TAF、TFⅡA~F等參與下，與RNA聚合酶Ⅱ一起形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。PolⅡTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBPTFⅡHTBP輔因子增強子結(jié)合蛋白39ppt課件真核生物細菌

細菌和真核生物基因轉(zhuǎn)錄激活機制主要差別的總結(jié)。另外，真核DNA包裝成核小體（未顯示）?；蛘{(diào)控序列RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控蛋白啟動子TATA框RNA聚合酶基因調(diào)控序列調(diào)控蛋白啟動序列轉(zhuǎn)錄起始40ppt課件思考題1、試述原核生物和真核生物基因組的特點。4、試比較原核生物和真核生物基因轉(zhuǎn)錄激活機制。3、以乳糖操縱子為例介紹原核生物的操縱子調(diào)控模式。2、基因轉(zhuǎn)錄激活的基本要素有哪些？41ppt課件增強子

增強子（激活蛋白結(jié)合部位）激活蛋白轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始TATA框轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶的結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子RNA聚合酶42ppt課件T